電子矩陣探頭相關(guān)三維超聲成像技術(shù)在胎兒心臟應(yīng)用中的進(jìn)展

湯蕙瑜 孫 雪 張 穎

先天性心臟?。╟ongenital heart disease，CHD）是胎兒時(shí)期心臟血管發(fā)育異常而形成的先天性解剖畸形，是導(dǎo)致嬰幼兒死亡的最常見原因［1］。目前，二維超聲仍是產(chǎn)前診斷CHD 最有效的手段［2］，隨著超聲成像技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，以二維超聲為基礎(chǔ)的三維超聲成像技術(shù)在胎兒心臟中的應(yīng)用越來越廣泛。近年來，電子矩陣探頭結(jié)合三維超聲成像技術(shù)在顯示胎兒心臟立體解剖結(jié)構(gòu)、診斷CHD 及臨床上針對該類疾病的治療、評估和預(yù)后等方面均有重要的意義，本文就其應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。

一、電子矩陣探頭的原理及相關(guān)超聲技術(shù)

電子矩陣探頭是一種具有多排晶體結(jié)構(gòu)的探頭，與機(jī)械探頭不同，電子矩陣探頭以電子方式偏轉(zhuǎn)超聲波束掃描預(yù)定的容積區(qū)域進(jìn)行容積數(shù)據(jù)的采集，較機(jī)械探頭采集容積數(shù)據(jù)的速度快，容積數(shù)據(jù)的分辨率高［3］。近年來三維超聲成像技術(shù)在描繪胎兒心臟的解剖結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)方面更直觀、真實(shí)和立體，提高了先天性心臟缺陷的檢出率［4］。常規(guī)掃查胎兒心臟時(shí)，四腔心切面是最基礎(chǔ)、最重要的切面［5］，在此切面上可以觀察到房室的大小比例、房室連接關(guān)系、房室瓣的位置、開放狀態(tài)、反流情況等重要信息。但是由于胎兒心臟體積和面積較小，且易受到母體體質(zhì)量指數(shù)、胎兒體位、羊水和胎兒呼吸運(yùn)動等因素的影響，因此該切面的獲取較為困難。二、三尖瓣短軸切面作為四腔心切面的重要補(bǔ)充切面，獲取更加困難。在進(jìn)行常規(guī)二維超聲掃查時(shí)，室間隔微小型的缺損、房室瓣結(jié)構(gòu)的微小病變等均不易獲得準(zhǔn)確診斷。應(yīng)用電子矩陣探頭結(jié)合相關(guān)三維超聲成像技術(shù)，可以更為簡單地獲取胎兒心臟的標(biāo)準(zhǔn)切面，更直觀準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)胎兒心臟深處的微小病變，有助于胎兒CHD的診斷。

電子矩陣探頭可以結(jié)合實(shí)時(shí)4D 容積模式（real-time 4D，RT 4D）、時(shí)空影像關(guān)聯(lián)技術(shù)（spatio-temporal image correlation，STIC）等三維超聲成像技術(shù)進(jìn)行三維容積數(shù)據(jù)的采集。此外，電子矩陣探頭還支持一種特殊的實(shí)時(shí)3D 模式——實(shí)時(shí)“雙平面”模式（Bi-Plane），同步顯示來自兩個(gè)不同角度的實(shí)時(shí)二維超聲成像平面，其與RT 4D 模式是電子矩陣探頭支持獲得實(shí)時(shí)三維成像的兩種成像方式。在RT 4D 模式下，電子矩陣探頭還支持采集并顯示一薄層容積數(shù)據(jù)的圖像，即容積對比成像技術(shù)（volume contrast imaging，VCI），在該模式下，圖像的分辨力和對比度均得到顯著提高。

二、電子矩陣探頭RT 4D模式

電子矩陣探頭RT 4D 模式在二維超聲成像的基礎(chǔ)上，應(yīng)用容積探頭采集并獲得胎兒心臟容積數(shù)據(jù)，再對研究部位進(jìn)行立體重建，從而得到實(shí)時(shí)動態(tài)三維圖像［6］。其具有數(shù)據(jù)采集和處理模式瞬時(shí)、快速的特點(diǎn)，支持實(shí)時(shí)切割和旋轉(zhuǎn)，可即時(shí)在屏幕上顯示胎兒心臟的實(shí)時(shí)動態(tài)三維圖像，包括胎兒心臟的搏動情況、觀察各室腔及各血管的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)，以及心臟瓣膜的開放、關(guān)閉的情況。聯(lián)合CDFI 還可以實(shí)時(shí)動態(tài)顯示各血管的彩色血流信號，包括位置、方向、速度，更好地評估血流狀態(tài)。研究［7］證實(shí)在兒童和成人心臟中，RT 4D 模式除支持準(zhǔn)確量化心室的容積、質(zhì)量和功能，還可以提高心臟空間結(jié)構(gòu)關(guān)系的可視化，這對診斷和臨床上治療CHD具有重要的意義。

對靜脈導(dǎo)管先天性發(fā)育不良的胎兒，應(yīng)用RT 4D 模式可以清楚地顯示胎兒右房的解剖形態(tài)結(jié)構(gòu)、連接于右房的所有靜脈回流，在評估右房相對大小方面明顯優(yōu)于二維超聲，還可以清楚地觀察到右房與臍靜脈的異常連接。室間隔缺損是最易被漏診的先天性心臟缺陷，應(yīng)用RT 4D 模式不僅可以準(zhǔn)確定位，還可以測量室間隔缺損的面積。研究［8］報(bào)道了在RT 4D 模式下，聯(lián)合CDFI 可以觀察到通過缺損處的微小血流，提高了微小型室間隔缺損的診斷準(zhǔn)確率。另外，在評估瓣膜及其附屬結(jié)構(gòu)的動力學(xué)功能狀態(tài)和解剖形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)方面，RT 4D 模式可顯示各瓣葉及其腱索、乳頭肌等附著物的形態(tài)結(jié)構(gòu)，解釋瓣膜的反流機(jī)制和起源，還可以很好地描述反流容積的幾何特征。應(yīng)用容積渲染模式，RT 4D 模式可以直接實(shí)時(shí)顯示各瓣葉的病理形態(tài)圖像，如瓣葉增厚、瓣葉呈扇形或卷曲、瓣葉粘連及是否存在異常的附著物等，這在二維超聲心動圖中無法實(shí)現(xiàn)［9］。在RT 4D 模式下，不僅可以識別出二尖瓣脫垂的胎兒呈扇形或卷曲的脫垂的瓣葉，還可以測量缺陷的程度。同樣，RT 4D 模式也可以精確地測量二尖瓣口面積，有易于二尖瓣狹窄的診斷［10］，同時(shí)還可以評估主動脈瓣狹窄、肺動脈瓣、三尖瓣畸形的嚴(yán)重程度?？傊?，與二維超聲比較，RT 4D 模式更易于先天性心臟畸形的診斷，其不僅在顯示解剖結(jié)構(gòu)方面具有附加價(jià)值，還在顯示動態(tài)形態(tài)細(xì)節(jié)方面具有明顯優(yōu)勢，提高了超聲心動圖評估胎兒心臟的敏感性。RT 4D 模式還支持?jǐn)?shù)字存儲以及可以進(jìn)行離線分析等。然而，RT 4D 不是單獨(dú)的一種成像方式，不能替代常規(guī)的二維超聲成像，只能作為二維成像或CDFI 的一種補(bǔ)充手段。

三、電子矩陣探頭Bi-Plane模式

Bi-Plane 是應(yīng)用于電子矩陣探頭的一種特有的新型實(shí)時(shí)三維超聲成像模式［11］。操作者全面掃查胎兒心臟時(shí)無需移動探頭即可在屏幕上同時(shí)顯示來自同一個(gè)心動周期和同一實(shí)相的兩個(gè)不同角度的實(shí)時(shí)二維切面圖像，一般默認(rèn)為互相垂直正交的兩個(gè)切面，即可以從兩個(gè)不同角度實(shí)時(shí)觀察搏動的胎兒心臟［12］。四腔心切面作為胎兒心臟檢查的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)切面，其診斷CHD 的敏感性為30%～49%，當(dāng)結(jié)合左、右室流出道切面時(shí)可以使診斷敏感性增加到78%～86%［13］。應(yīng)用Bi-Plane 模式可使四腔心切面和左室流出道切面同時(shí)顯示，文獻(xiàn)［14］也報(bào)道以左室流出道為基礎(chǔ)切面可以實(shí)時(shí)顯示右室流出道切面。Bi-Plane 模式以四腔心切面作為初始切面可同時(shí)實(shí)時(shí)顯示二、三尖瓣短軸切面，實(shí)時(shí)從兩個(gè)不同角度的不同切面觀察房室瓣的位置、形態(tài)、結(jié)構(gòu)，測量瓣口面積，評估瓣口的狹窄程度，從而更好地篩查房室瓣畸形［15］。另外，Bi-Plane 模式應(yīng)用于胎兒心臟檢查過程中，還可以實(shí)時(shí)顯示主動脈弓［16］、導(dǎo)管弓及靜脈系統(tǒng)的失狀切面，并且可以觀察到累及大動脈和縱隔靜脈系統(tǒng)的異常，有助于更好地篩查圓錐動脈干畸形、弓動脈畸形及腔靜脈畸形。應(yīng)用Bi-Plane 模式還可以診斷胎兒靜脈導(dǎo)管先天性發(fā)育不全，調(diào)整好適當(dāng)角度，即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)圖像顯示四腔心切面，另一個(gè)圖像顯示出臍靜脈于右房的異常連接和正常的上、下腔靜脈情況［17］。此外，Bi-Plane 模式還可以從兩個(gè)不同的角度完整地顯示室間隔的全貌，聯(lián)合CDFI更有易于室間隔缺損的診斷［18］，觀察卵圓瓣的結(jié)構(gòu)并評估通過卵圓瓣的血流狀態(tài)［19］。

Bi-Plane 模式的實(shí)時(shí)顯像特點(diǎn)使圖像采集過程更為簡便，更易顯示各種基礎(chǔ)切面，具有后處理方式簡單、快速的特點(diǎn)。總之，Bi-Plane 模式是一種產(chǎn)前有效診斷胎兒CHD 的新方法，在獲取胎兒心臟切面基本信息方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，既縮短了檢查和后處理時(shí)間，又使圖像采集過程更為簡便［20］。但Bi-Plane模式也有一定的局限性，其以二維超聲為基礎(chǔ)，當(dāng)左側(cè)初始切面無法獲得清晰圖像時(shí)，右側(cè)與之相垂直的圖像質(zhì)量也受影響，因此對胎位要求較高。當(dāng)孕婦腹壁過厚時(shí)，圖像質(zhì)量的分辨率較差。另外，兩個(gè)平面的采集角度也有一定的限制。

四、STIC技術(shù)

STIC技術(shù)是一種慢速自動化三維容積采集技術(shù)，容積數(shù)據(jù)在一個(gè)單一、慢掃描的過程中獲得，主要用于獲取跳動的心臟和搏動的血管容積圖像［21］。隨著電子矩陣探頭的發(fā)展，STIC技術(shù)的采集速度進(jìn)一步得到提高，稱為eSTIC技術(shù)，其可以進(jìn)行脫機(jī)后處理，并可以將三維數(shù)據(jù)采集與時(shí)相信息獲取相結(jié)合，對胎兒心臟及感興趣區(qū)進(jìn)行動態(tài)的三維立體成像［22］。當(dāng)結(jié)合CDFI 和高分辨血流成像模式［23］時(shí)，eSTIC 技術(shù)可通過添加彩色血流重建心臟循環(huán)，在顯示左室流出道、右室流出道、肺靜脈、主動脈弓、導(dǎo)管弓等方面具有明顯的優(yōu)勢。高分辨血流成像模式對微小血管的顯示較好，可以清楚地顯示左、右肺靜脈和主動脈弓的分支，有助于肺靜脈異位引流和主動脈弓發(fā)育畸形的診斷。另外，eSTIC 技術(shù)與RT 4D 模式一樣，支持自由切割與重建技術(shù)、三維渲染成像技術(shù)、多平面重建及斷層超聲成像等多種后處理技術(shù)［24］。其結(jié)合虛擬器官計(jì)算機(jī)輔助分析軟件可以測量心室容積、獲得射血分?jǐn)?shù)等，還可用于胎兒心臟結(jié)構(gòu)與運(yùn)動的離線分析。總之，STIC技術(shù)是一種具有心臟門控的三維成像方法，是產(chǎn)前超聲診斷的進(jìn)步，應(yīng)用STIC 技術(shù)不僅可以更好地診斷CHD，還可以確定手術(shù)部位以及選擇合適的手術(shù)方法。當(dāng)然，STIC技術(shù)也有一定的局限性，包括：圖像質(zhì)量易受胎兒運(yùn)動和孕婦呼吸運(yùn)動等因素的影響，后處理方式較為繁瑣，以及STIC容積數(shù)據(jù)僅包含一個(gè)心動周期的電影循環(huán)序列，在評估心律失常時(shí)常不準(zhǔn)確。

五、VCI技術(shù)

隨著電子矩陣探頭的問世，圖像分辨力得到了顯著提高，在進(jìn)行靜態(tài)三維或RT 4D 的成像時(shí)，可以采用VCI 技術(shù)來獲取薄層容積信息。VCI 技術(shù)是應(yīng)用于三維超聲成像，通過減小并消除斑點(diǎn)噪音來增強(qiáng)某些相似組織結(jié)構(gòu)的對比度來提高對比度分辨率的一種技術(shù)［25］。其主要優(yōu)勢在于提高了對比度和分辨力，并降低了偽像。趙婧等［26］研究發(fā)現(xiàn)VCI技術(shù)對于產(chǎn)前診斷胎兒1～2 mm 小型室間隔缺損具有良好的診斷價(jià)值。且VCI技術(shù)在顯示主動脈弓及頭臂血管方面具有明顯優(yōu)勢［27］。由于VCI 技術(shù)增加了層厚的效應(yīng)，使胎兒心臟的標(biāo)準(zhǔn)切面更為立體化，更易直觀地觀察胎兒心臟結(jié)構(gòu)。目前關(guān)于VCI 技術(shù)在胎兒心臟中應(yīng)用的報(bào)道較少，其應(yīng)用價(jià)值還需進(jìn)一步探索。

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子矩陣探頭結(jié)合三維超聲成像技術(shù)將在未來獲得越來越普遍的應(yīng)用。將三維超聲成像技術(shù)應(yīng)用于胎兒心臟的檢查中，可以極大提高胎兒心臟微小結(jié)構(gòu)病變的檢出率，增加了診斷的敏感性，對發(fā)現(xiàn)先天性胎兒心臟缺陷以及診斷和治療復(fù)雜性先天性心臟畸形均有重要的臨床意義。